含凹陷海底管道屈曲机理的数值模拟

摘要

海底管道在服役和安装的过程中，容易产生一定的凹陷。在外部载荷的作用下，极易发生屈曲现象。因此对于含凹陷海底管道屈曲机理的研究具有重要意义。
　　本文选取含球形凹陷和椭球性凹陷的圆管作为研究对象，外压和弯矩作为研究的外部载荷，弯矩方向选择使凹陷位于受压面时的方向。通过ABAQUS软件进行屈曲机理的非线性数值模拟研究和分析。本文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)建立了含凹陷海底管道的有限元模型，通过尺寸相关性的分析，简化了球形和椭球形压头的尺寸，并通过与现有的实验和模拟数据验证了该模型的有效性。
　　(2)通过纯外压、纯弯矩作用下含球形和椭球形凹陷海底管道屈曲过程的模拟研究，得到了管道屈曲过程与凹陷深度、凹陷长宽比和管道径厚比的规律。建立了纯载荷作用下载荷临界值的拟合公式。
　　(3)通过不同的加载路径分别进行含球形凹陷和椭球形凹陷海底管道屈曲机理的数值模拟，得到了外压和弯矩同时作用下，无量纲屈曲载荷值随主要影响因素的变化规律，分析了组合载荷作用下屈曲载荷临界值相对于纯载荷作用下的偏离程度。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 该领域的研究现状

1．2．1 外压作用下含凹陷海底管道的屈曲研究

1．2．2 弯矩作用下含凹陷海底管道的屈曲研究

1．2．3 内压和弯矩作用下含凹陷海底管道的屈曲研究

1．2．4 海底管道屈曲的评估

1．2．5 凹陷的评估

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 环境因素的简化

1．3．2 本文研究内容

2 有限元模型的建立

2．1 有限元理论和软件的选择

2．1．1 有限元法

2．1．2 有限元软件的选择

2．2 几何模型的建立

2．2．1 管道的简化

2．2．2 凹陷形状的简化

2．2．3 整体几何模型

2．3 材料性能

2．4 载荷和约束条件

2．5 单元选择和网格划分

2．5．1 单元的选择

2．5．2 网格的划分

2．6 弧长法

2．7 模型的有效性验证

2．7．1 几何和材料参数

2．7．2 模拟过程

2．7．3 结果对比

2．8 本章小结

3 纯外压作用下含凹陷海底管道的屈曲模拟

3．1 球形和椭球形压头尺寸的简化

3．1．1 球形压头尺寸的简化

3．1．2 椭球形压头尺寸的简化

3．2 含球形凹陷海底管道在纯外压作用下的屈曲模拟

3．2．1 屈曲过程分析

3．2．2 屈曲临界值的变化规律分析

3．3 含椭球形凹陷海底管道在纯外压作用下的屈曲模拟

3．3．1 屈曲过程分析

3．3．2 屈曲临界值的变化规律分析

3．4 含球形和椭球形凹陷在纯外压作用下的屈曲过程比较

3．5 屈曲外压的工程拟合

3．5．1 拟合公式的确定

3．5．2 拟合公式的验证

3．6 本章小结

4 纯弯矩作用下含凹陷海底管道的屈曲模拟

4．1 弯矩载荷的简化

4．2 球形和椭球形压头尺寸的简化

4．3 含球形凹陷海底管道在纯弯矩作用下的屈曲模拟

4．3．1 屈曲过程分析

4．3．2 屈曲临界值的变化规律分析

4．4 含椭球形凹陷海底管道在纯弯矩作用下的屈曲模拟

4．4．1 屈曲过程分析

4．4．2 屈曲临界值的变化规律分析

4．5 含球形和椭球形凹陷在纯弯矩作用下的屈曲过程比较

4．6 屈曲弯矩的工程拟合

4．7 本章小结

5 外压和弯矩共同作用下含凹陷海底管道的屈曲模拟

5．1 计算方案

5．2 含凹陷海底管道在外压和弯矩共同作用下的屈曲过程分析

5．3 含球形凹陷海底管道在外压和弯矩共同作用下的屈曲模拟分析

5．3．1 先加载弯矩再加载外压的方式

5．3．2 先加载外压再加载弯矩的方式

5．3．3 外压和弯矩按比例同时加载的方式

5．4 含椭球形凹陷海底管道在外压弯矩共同作用下的屈曲模拟分析

5．4．1 先加载弯矩再加载外压的方式

5．4．2 先加载外压再加载弯矩的方式

5．4．3 外压和弯矩按比例同时加载的方式

5．5 含球形和椭球形凹陷海底管道在外压和弯矩共同作用下屈曲模拟结果的比较

5．6 对工程实际的指导

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得的科研成果